《洛倫茲力的應(yīng)用》課件2.ppt

1、1,5 洛倫茲力的應(yīng)用,2,3,1.理解運動電荷垂直進入勻強磁場時，電荷在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運動.知道利用磁場可以控制帶電粒子的運動，能利用幾何知識解決相關(guān)問題. 2.了解帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)規(guī)律在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用（如質(zhì)譜儀、回旋加速器等）.了解我國在高能物理領(lǐng)域中的科技發(fā)展?fàn)顩r. 3.能應(yīng)用所學(xué)知識解決電場、磁場和重力場的簡單綜合問題，如速度選擇器、磁流體發(fā)電機、電磁流量計等.（重點）,4,V,垂直進入勻強磁場的帶電粒子在磁場中做勻速圓周運動,5,F,R,交點到切線的距離為半徑,力的作用線的交點為圓心,圓心怎樣確定？,6,o,+,+,V,V,O1,R,r,B,7,一、利用磁場控

2、制帶電粒子的運動,對于一帶電粒子（q、m一定），可以通過調(diào)節(jié)磁場B和粒子初速度v的大小來控制粒子的偏轉(zhuǎn)角度.,特點：只改變粒子的運動方向，不改變粒子的速度大小.,8,應(yīng)用：電視機顯像管中的電子在磁場中的偏轉(zhuǎn),9,北京正負電子對撞機,10,北京正負電子對撞機裝置(BEPC),11,背景材料,北京正負電子對撞機國家實驗室,BEPC National Laboratory,加速器中心,12,北京正負電子對撞機國家實驗室,學(xué)科方向 粒子加速器不僅是進行高能物理、原子物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)等多種基礎(chǔ)科學(xué)研究的重要實驗裝置，而且在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療和國防建設(shè)等方面也有廣泛的應(yīng)用前景. BEPC/BES的成

3、功建造和取得的物理成果，使中國成為世界上重要的高能物理實驗基地之一，在國際高能物理學(xué)界占有了一席之地.到目前為止，BEPC對撞亮度在-粲能區(qū)仍居世界領(lǐng)先地位.BEPC成功地用于同步輻射的實驗研究，使高能所成為我國重要的同步輻射實驗基地之一.,【背景材料】,13,二、質(zhì)譜儀,測定帶電粒子荷質(zhì)比的儀器叫做質(zhì)譜儀.在化學(xué)分析、原子核技術(shù)中有著重要的應(yīng)用.,質(zhì)譜儀的發(fā)明者阿斯頓（ Francis Wi11iam Aston 18771945） 是英國物理學(xué)家，他長期從事同位素和質(zhì)譜的研究.他首次制成了聚焦性能較高的質(zhì)譜儀，并用此來對許多元素的同位素及其豐度進行測量，從而肯定了同位素的普遍存在.同時根據(jù)

4、對同位素的研究，他還提出了元素質(zhì)量的整數(shù)法則.因此他榮獲了1922年的諾貝爾化學(xué)獎.,質(zhì)譜儀,14,質(zhì)譜儀原理圖,S1,S2,S3,1.加速電場 離子源產(chǎn)生的帶電粒子經(jīng)過S1、S2之間的電場加速后， 有 qU=,即粒子以速度v進入兩金屬板之間的裝置速度選擇器,15,質(zhì)譜儀原理圖,S1,S2,S3,2.速度選擇器,兩金屬板間，有場強為E、方向水平向右的勻強電場和與電場垂直且垂直于紙面向外的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場，帶電粒子在該區(qū)域，水平方向受電場力和洛倫茲力作用（重力可忽略不計），當(dāng)Eq=qvB 時，粒子做勻速直線運動，,由 可見，粒子的速度大小可由E和B來控制.,16,3.偏轉(zhuǎn)磁場,帶電粒子從

5、P點以速度v垂直進入勻強磁場B0中,做勻速圓周運動，測量亮點到P點的距離，就可求出比荷，由,可得,S1,S2,質(zhì)譜儀原理圖,S3,17,三、回旋加速器,18,勞倫斯（19011958），美國物理學(xué)家. 1901年8月8日出生于美國南達科他州的坎頓勞倫斯一生從事加速器技術(shù)，涉及核物理、生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用方面的研究.他對物理學(xué)最偉大的貢獻就是發(fā)明了回旋加速器.由于有了加速器，人們可以得到比天然放射性種類更多、能量更高、束流更強、便于控制的各種粒子束，以從事各種實驗，這項發(fā)明推動了原子核理論研究和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展.,勞倫斯，1939年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者,19,20,回旋加速器原理,21

6、,分析： （1）磁場的作用：帶電粒子以某一速度垂直磁場方向進入勻強磁場后，在洛倫茲力作用下做勻速圓周運動，其周期和速率、半徑均無關(guān)，帶電粒子每次進入D形盒都運動相等的時間（半個周期）后平行于電場方向進入電場中加速. （2）電場的作用：回旋加速器的兩個D形盒之間的窄縫區(qū)域存在周期性變化的并垂直于兩D形盒正對截面的勻強電場，帶電粒子經(jīng)過該區(qū)域時被加速.,22,（3）交變電壓：為了保證帶電粒子每次經(jīng)過窄縫時都被加速，使之能量不斷提高，需在窄縫兩側(cè)加上跟帶電粒子在D形盒中運動周期相同的交變電壓,23,帶電粒子的最終能量由什么因素確定呢？,當(dāng)帶電粒子的速度最大時，其運動半徑也最大， 由r= 得v= ，若

7、D形盒的半徑為R，則帶電粒 子的最終動能：,所以，要提高加速粒子的最終能量，應(yīng)盡可能增大磁感應(yīng)強度B和D形盒的半徑R,24,分析：加速電壓越高，帶電粒子每次加速的動能增量越大，回旋半徑也增加越大，導(dǎo)致帶電粒子在D形盒中的回旋次數(shù)越少；反之，加速電壓越低，帶電粒子在D形盒中回旋的次數(shù)越多，可見加速電壓的高低只影響帶電粒子加速的總次數(shù)，并不影響引出時的速度和相應(yīng)的動能，由 可知，增強B和增大R可提高加速粒子的最終能量，與加速電壓高低無關(guān),為什么帶電粒子經(jīng)回旋加速器加速后的最終能量與加速電壓無關(guān)？,25,四、磁流體發(fā)電機,等離子體即高溫下電離的氣體，含有大量的帶正電荷和負電荷的微粒，總體是呈電中性的

8、.,26,新型的磁流體發(fā)電機就是根據(jù)帶電粒子在洛倫茲力作用下產(chǎn)生磁偏轉(zhuǎn)的原理制成的.,27,原理：經(jīng)高溫電離了的等離子體氣體，高速通過磁場時，在洛倫茲力作用下，正離子會向左面電極偏轉(zhuǎn)，負離子會向右面電極偏轉(zhuǎn)，從而在兩極間形成電勢差，向外界提供可利用的電動勢.,28,特點：磁流體發(fā)電機只需進行一次能量轉(zhuǎn)換,即可發(fā)電.從發(fā)電機中出來的熱氣流還可以進行傳統(tǒng)的二次發(fā)電，比起傳統(tǒng)發(fā)電機，效率大為提高.因此，它是目前許多國家都在積極研制的一項高新技術(shù).,29,設(shè)AB兩金屬板相距為L,等離子氣體噴入的速度為v，板間磁感應(yīng)強度為B，當(dāng)氣體通過AB板間時，在洛倫茲力的作用下，正負離子分別積聚在兩板，形成電勢差.

9、當(dāng)離子受力平衡時，有,即電動勢E=BLv.,30,霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是美國物理學(xué)家霍爾（E.H.Hall，18551929）于1879年發(fā)現(xiàn)的.當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差，這一現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng).這個電勢差也被叫做霍爾電勢差.,五、霍爾效應(yīng),31,設(shè)金屬塊的厚為h，寬為d，通過的電流強度為I，磁感應(yīng)強度為B，電子定向移動速度為v，該金屬電荷密度為n，電子電量為e，因此I=nehdv,當(dāng)Eq=qvB時，電子沿直線通過金屬塊.上下表面電勢 差達到一穩(wěn)定值U.電勢差 U=Eh=vBh= ， = k,其中k稱為霍爾系數(shù).,32,G

10、V300 數(shù)字高斯計，采用了霍爾效應(yīng)原理制成的傳感器，具有量程范圍廣（0.01 mT到1.999T）的特征，并能夠把直流磁場及交流磁場的磁通密度（即磁感應(yīng)強度）顯示在液晶畫面上，是便攜式特斯拉計.,霍爾效應(yīng)的應(yīng)用,33,JLB-1系列霍爾電流傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理開發(fā)的新一代電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流.,34,六、電磁流量計,35,36,電磁流量計原理,如圖所示,一圓形導(dǎo)管直徑為d,用非磁性材料制成,其中有可以導(dǎo)電的液體向左流動,導(dǎo)電液體中的自由電荷(正負離子)，正負電荷在洛倫茲力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在a、b間產(chǎn)生電勢差.設(shè)液體流動速度為v，a、b間

11、的電勢差為U. 當(dāng)自由電荷所受電場力和洛倫茲力平衡時a、b間的電勢差就保持穩(wěn)定.有,液體的流量:,37,一、帶電粒子在磁場中的運動：,平行磁感線進入：做勻速直線運動.,垂直磁感線進入：做勻速圓周運動.,周期：,半徑：,38,二、質(zhì)譜儀：研究同位素（測荷質(zhì)比）的裝置，,由加速電場、速度選擇器、偏轉(zhuǎn)磁場組成.,三、回旋加速器：使帶電粒子獲得高能量的裝置，,由D形盒、高頻交變電場等組成.,39,1.如圖所示，在第象限內(nèi)有垂直于紙面向里的勻強磁場，一對正、負電子分別以相同速率以與x軸成30角的方向從原點射入磁場，則正、負電子在磁場中運動的時間之比為() A12B21 C1 D11,40,解析：由T 可

12、知，正、負電子 的運動周期相同，故所用時間之比等 于軌跡對應(yīng)的圓心角之比 作出正、負電子運動軌跡如圖所示， 由幾何知識可得正電子運動的圓心角等于120，負電子運 動的圓心角等于60，而電荷在磁場中的運動時間t 所以t正t負正負21，故B正確.A、C、D錯 誤,答案：B,41,2.如圖所示是質(zhì)譜儀的工作原 理示意圖帶電粒子被加速電 場加速后，進入速度選擇器 速度選擇器內(nèi)相互正交的勻強 磁場和勻強電場的強度分別為 B和E.平板S上有可讓粒子通過 的狹縫P和記錄粒子位置的膠片A1A2.平板S下方有磁感應(yīng)強度為B0的勻強磁場下列表述正確的是(),42,A質(zhì)譜儀是分析同位素的重要工具 B速度選擇器中的磁

13、場方向垂直紙面向外 C能通過狹縫P的帶電粒子的速率等于 D粒子打在膠片上的位置越靠近狹縫P，粒子的比荷越小,43,解析：因同位素原子的化學(xué)性質(zhì)完全相同，無法用化學(xué)方 法進行分析，故質(zhì)譜儀就成為同位素分析的重要工具，A正 確在速度選擇器中，帶電粒子所受電場力和洛倫茲力在粒 子沿直線運動時應(yīng)等大反向，結(jié)合左手定則可知B正確再 由qEqvB有v ，C正確在勻強磁場B0中R ， 所以 ，D錯誤,答案：A、B、C,44,3.如圖所示，一束質(zhì)量、速度和電量不等的正離子垂直 地射入勻強磁場和勻強電場正交的區(qū)域里，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有 些離子保持原來的運動方向，未發(fā)生任何偏轉(zhuǎn)如果讓 這些不偏轉(zhuǎn)離子進入另一勻強磁場中，發(fā)現(xiàn)這些離子又 分裂成幾束對這些進入后一磁場的離子，可得出結(jié) 論（ ） A它們的動能一定各不相同 B它們的電量一定各不相同 C它們的質(zhì)量一定各不相同 D它們的電量與質(zhì)量之比一定各不相同,45,即速度相同的粒子進入到后一磁場，由偏轉(zhuǎn)半徑r= 不同，知它們的荷質(zhì)比一定各不相同.所以D正確.,答案：D,由:,解析：對在勻強電場和磁場正交區(qū)域內(nèi)保持原來的運動方向的